JP2006012466A

JP2006012466A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006012466A
Application number: JP2004184209A
Authority: JP
Inventors: Koji Morita; 幸治盛田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】発電部と出口側マニホールドとの間のディフューザでの凝縮水の発生を抑える。
【解決手段】カソード側セパレータ５におけるカソードガス流路４１と、カソード出口マニホールド孔１９ｃとの間に、ディフューザ４７を設け、ディフューザ４７に流体整流用のガイド４８を設ける。カソード側セパレータ５におけるカソードガス流路群４３と、各マニホールド孔１５ｃ，１７ｃ，１９ｃとの間の部位４９を、他の部位に対して熱伝導率の低い材料である樹脂で構成し、ディフューザ４７での熱交換性能を低下させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体電解質およびその両側に一対の電極を備えた膜電極接合体と、膜電極接合体の両側にそれぞれ配置するアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとを有する単位電池を複数積層した燃料電池に関する。

燃料電池において、積層した各単位電池に対し、冷却水，アノードガス，カソードガスをそれぞれ供給・排出するために、積層方向に貫通するマニホールドが必須の構造である。マニホールドは、各単位電池の流路形状によって、単位電池の面内での設置位置が決定される。各単位電池の流路が直線状でかつ互いに並行に流れるような構成では、それぞれのマニホールドが互いに近接するため、３つの流体の各マニホールドの幅は流路群の幅より狭いものとなる（例えば下記特許文献１参照）。
ＵＳ２００２／００６４７０２Ａ１

ところで、各単位電池の流路がサーペンタイン（蛇行状）などで、マニホールド同士が近接しない構成では、マニホールドの幅は流路群の幅に対して等しくとれるので、マニホールドは、各単位電池に均等に流体を分配できるとともに、流路群を構成する各流路に対しても均等に流体を分配できるような設計が可能となる。

しかしながら、前述したような３流体の各マニホールドが互いに近接する場合には、入口側マニホールドから、それより幅の広い流路群に各流体を供給し、また、流路群より幅の狭い出口側マニホールドへ流体を排出することになるため、マニホールドは各単位電池に均等に流体を分配する機能を有するだけで、この流路の拡大・縮小を伴う部分（ディフューザと呼ぶ）が、流路群を構成する各流路に均等に流体を分配する機能を果たすことになる。

このディフューザは、流体を整流するために、ある程度の長さが必要になることから、熱交換器の機能を有するものとなる。すなわち、ディフューザの上流側の発電部で、反応ガスが冷却水と温度差を持っていても、ディフューザで熱交換することにより、流体相互の温度差が緩和される。

例えば冷却水出口温度を同等とした場合、ディフューザを持たない燃料電池に比べて反応ガスは低い温度で排出される。このため、反応ガスの出口側に注目すれば、反応ガス中に含まれる水分（蒸気）がディフューザで凝縮し、水収支を成立させるために凝縮水の再利用システムが必要となるという問題点がある。

そこで、本発明は、発電部と出口側マニホールドとの間のディフューザでの凝縮水の発生を抑えることを目的としている。

本発明は、固体電解質およびその両側に一対の電極を備えた膜電極接合体と、膜電極接合体の両側にそれぞれ配置するアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとを、それぞれ有する単位電池を複数積層し、前記固体電解質と前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータとの間に形成した反応ガス流路と、前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの各反応ガス流路のうち少なくとも一方の反応ガス流路と反対側に設けた冷却水流路とが、互いに並行で、かつ前記反応ガス流路および冷却水流路にそれぞれ連通して前記積層方向に貫通する複数のマニホールドが互いに近接する燃料電池において、前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータのうち少なくとも一方の、前記単位電池の前記電極を備えた発電部と前記マニホールドの出口側との間の部位を、他の部位に比較して熱伝導率の低い材料で構成したことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータのうち少なくとも一方の、単位電池の電極を備えた発電部と出口側マニホールドとの間の部位を、他の部位に比較して熱伝導率の低い材料で構成したため、発電部と出口側マニホールドとの間の部分の熱交換性能が低下して出口ガス温度の低下を抑えることができ、凝縮水の発生を抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の単位電池を構成する各種部材の平面図である。膜電極接合体であるＭＥＡ１と、アノード側セパレータ３と、カソード側セパレータ５との３つの部材により単位電池を構成し、この単位電池を複数積層して燃料電池を構成する。

ＭＥＡ１は、高分子固体電解質膜の両側に触媒層およびガス拡散層を備えた一対の電極を有する発電部７を図１中で表裏両面に備え、その紙面裏側にアノード側セパレータ３の紙面表側を重ね、同紙面表側にカソード側セパレータ５の紙面裏側を重ねる。

上記したＭＥＡ１の図１中で左側の端部には、上部から、カソード入口マニホールド９を構成するカソード入口マニホールド孔９ａ，冷却水入口マニホールド１１を構成する冷却水入口マニホールド孔１１ａ，アノード出口マニホールド１３を構成するアノード出口マニホールド孔１３ａをそれぞれ形成している。

また、ＭＥＡ１の図１中で右側の端部には、上部から、アノード入口マニホールド１５を構成するアノード入口マニホールド孔１５ａ，冷却水出口マニホールド１７を構成する冷却水出口マニホールド孔１７ａ，カソード出口マニホールド１９を構成するカソード出口マニホールド孔１９ａをそれぞれ形成している。

さらに、ＭＥＡ１の図１中で紙面表側のカソード側セパレータ５に対向する面において、その周囲を囲むとともに、冷却水入口マニホールド孔１１ａ，アノード出口マニホールド孔１３ａおよび、アノード入口マニホールド孔１５ａ，冷却水出口マニホールド孔１７ａのそれぞれの周囲を囲むように、シール材２１を設置する。

ＭＥＡ１の図１中で紙面裏側のアノード側セパレータ３に対向する面にもシール材を設けてあり、このシール材は、上記アノード側セパレータ３に対向する面の周囲を囲むとともに、カソード入口マニホールド孔９ａ，冷却水入口マニホールド孔１１ａおよび、冷却水出口マニホールド孔１７ａ，カソード出口マニホールド孔１９ａのそれぞれ周囲を囲むよう設置する。

これらシール材２１を含むシール材は、アノードガスとカソードガスと冷却水と大気との間をそれぞれシールすることを目的とする。

アノード側セパレータ３は、導電性を有するカーボンを主とする材料からなり、ＭＥＡ１に形成した前記カソード入口マニホールド孔９ａ，冷却水入口マニホールド孔１１ａ，アノード出口マニホールド孔１３ａおよび、アノード入口マニホールド孔１５ａ，冷却水出口マニホールド孔１７ａ，カソード出口マニホールド孔１９ａにそれぞれ対応して、カソード入口マニホールド９を構成するカソード入口マニホールド孔９ｂ，冷却水入口マニホールド１１を構成する冷却水入口マニホールド孔１１ｂ，アノード出口マニホールド１３を構成するアノード出口マニホールド孔１３ｂおよび、アノード入口マニホールド１５を構成するアノード入口マニホールド孔１５ｂ，冷却水出口マニホールド１７を構成する冷却水出口マニホールド孔１７ｂ，カソード出口マニホールド１９を構成するカソード出口マニホールド孔１９ｂをそれぞれ形成してある。

また、アノード側セパレータ３におけるＭＥＡ１の発電部７に対応する部分には、図１中で左右方向に延びる互いに平行な複数の反応ガス流路としてのアノードガス流路２３を備えたアノードガス流路群２５を設けている。このアノードガス流路群２５を形成した面は、ＭＥＡ１に対向する側であるが、その裏側の隣接する単位電池におけるカソード側セパレータ５に対向する面には、後述するカソード側セパレータ５と同様の冷却水流路を形成している。

そして、上記したアノードガス流路群２５と、アノード入口マニホールド孔１５ｂとの間には、アノードガスを整流する部分として、ディフューザ２７を形成する。さらに、アノードガス流路群２５とアノード出口マニホールド孔１３ｂとの間には、アノードガスを整流する部分として、ディフューザ２９を形成する。これら各ディフューザ２７および２９には、アノードガスをガイドするアノードガスガイド２８および３０をそれぞれ設けている。

カソード側セパレータ５は、導電性を有するカーボンを主とする材料からなり、ＭＥＡ１に形成した前記カソード入口マニホールド孔９ａ，冷却水入口マニホールド孔１１ａ，アノード出口マニホールド孔１３ａおよび、アノード入口マニホールド孔１５ａ，冷却水出口マニホールド孔１７ａ，カソード出口マニホールド孔１９ａにそれぞれ対応して、カソード入口マニホールド９を構成するカソード入口マニホールド孔９ｃ，冷却水入口マニホールド１１を構成する冷却水入口マニホールド孔１１ｃ，アノード出口マニホールド１３を構成するアノード出口マニホールド孔１３ｃおよび、アノード入口マニホールド１５を構成するアノード入口マニホールド孔１５ｃ，冷却水出口マニホールド１７を構成する冷却水出口マニホールド孔１７ｃ，カソード出口マニホールド１９を構成するカソード出口マニホールド孔１９ｃをそれぞれ形成してある。

また、カソード側セパレータ５におけるＭＥＡ１の発電部７に対応する部分には、図１中で左右方向に延びる互いに平行な複数の冷却水流路３１を備えた冷却水流路群３３を設けている。

そして、上記した冷却水流路群３３と、冷却水入口マニホールド孔１１ｃとの間には、冷却水を整流する部分として、ディフューザ３５を形成する。さらに、冷却水流路群３３と冷却水出口マニホールド孔１７ｃとの間には、冷却水を整流する部分として、ディフューザ３７を形成する。これら各ディフューザ３５および３７には、冷却水をガイドする冷却水ガイド３６および３８をそれぞれ設けている。

また、カソード側セパレータ５の図１中で紙面表側の、隣接する単位電池のアノード側セパレータ３に対向する面において、その周囲を囲むとともに、カソード入口マニホールド孔９ｃ，アノード出口マニホールド孔１３ｃおよび、アノード入口マニホールド孔１５ｃ，カソード出口マニホールド孔１９ｃのそれぞれの周囲を囲むように、シール材３９を設置する。このシール材３９は、アノードガスとカソードガスと冷却水と大気との間をそれぞれシールすることを目的とする。

図２は、カソード側セパレータ５の上記冷却水流路３１を備えた面と反対側の面、すなわちＭＥＡ１に対向する面の平面図である。このカソード側セパレータ５のＭＥＡ１に対向する面には、発電部７に対応する位置に、図１中で左右方向に延びる互いに平行な複数の反応ガス流路としてのカソードガス流路４１を備えたカソードガス流路群４３を設けている。

上記図１および図２に示すように、反応ガス流路であるアノードガス流路２３およびカソードガス流路４１と、冷却水流路３１とは、互いに並行で、かつカソード入口，冷却水入口，アノード出口の各マニホールド９，１１，１３が互いに近接するとともに、アノード入口，冷却水出口，カソード出口の各マニホールド１５，１７，１９が互いに近接している。

上記したカソードガス流路群４３と、カソード入口マニホールド孔９ｃとの間には、カソードガスを整流する部分として、ディフューザ４５を形成する。さらに、カソードガス流路群４３とカソード出口マニホールド孔１９ｃとの間には、カソードガスを整流する部分として、ディフューザ４７を形成する。これら各ディフューザ４５および４７には、カソードガスをガイドするカソードガスガイド４６および４８をそれぞれ設けている。

そして、カソード側セパレータ５におけるカソードガス流路群４３と、マニホールドの排出側となるカソード出口マニホールド孔１９ｃを含む各マニホールド孔１５ｃ，１７ｃ，１９ｃとの間の部位４９を、カソード側セパレータ５における他の部位に対して熱伝導率の低い材料である樹脂で構成し、これによりカソード側セパレータ５を、カーボンを主とする材料と樹脂との複合材としている。

上記したＭＥＡ１の発電部７に対応する部分にて、アノードガス、カソードガス、冷却水が互いに並行に流れ、かつ、それぞれのマニホールド９，１１，１３が互いに近接するとともに、それぞれのマニホールド１５，１７，１９が互いに近接するために、各マニホールド９，１１，１３および１５，１７，１９の幅（図１中で上下方向の幅）は、発電部７の幅（流路群２５，３３，４３の図１中で上下方向の幅）の概ね１／３となっている。

このため、図１中で上下の幅が互いに変化する発電部７と各マニホールド９，１１，１３および１５，１７，１９との間に、各流体を整流して各流路に分配および各マニホールドに集合させるために、前記ディフューザ２７および２９，３５および３７，４５および４７を設けている。

ここで発電部７におけるカソードガスと冷却水とは、相互間での伝熱のため、いくらかの温度差を有している。この温度差は、発電による発熱と同じ伝熱量となるように発生する。図２におけるカソード側セパレータ５のディフューザ４７は、発電がなされておらず、このディフューザ４７をカソードガスが移動する際には、上記した温度差を維持できなくなる傾向にあるが、ここでのディフューザ４７は熱伝導率が低い樹脂で構成しているため、温度差の減少を小さくすることができる。このため、ディフューザ４７で凝縮水の発生を抑えることができ、水収支の悪化を防ぐことができることから、凝縮水の再利用システムを不要とすることも可能となる。

図３は、この発明の第２の実施形態に係わる、カソード側セパレータ５のＭＥＡ１に対向する面を示す要部の平面図である。

この実施形態は、ディフューザ４７に設けたガイド４８，４８ａのうち、カソードガス流路４１側のガイド４８ａの幅を厚くし、ディフューザ４７でのカソードガスとの接触面積を減らしている。これにより、ディフューザ４７を流れるカソードガスと、ディフューザ４７の裏面側のディフューザ３７を流れる冷却水との伝熱面積を小さくする。

なお、カソードガスと冷却水との伝熱面積を小さくするために、冷却水側のディフューザ３７におけるガイド３８の幅を厚くしてもよい。

上記したように、カソードガスと冷却水との伝熱面積を減らすことで、第１の実施形態と同様に、ディフューザ４７におけるカソードガスと冷却水との温度差の減少を小さくすることができ、これによりディフューザ４７での凝縮水の発生を抑えることができ、水収支の悪化を防ぐことができることから、凝縮水の再利用システムを不要とすることも可能となる。

本発明によれば、固体電解質およびその両側に一対の電極を備えた膜電極接合体と、膜電極接合体の両側にそれぞれ配置するアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとを、それぞれ有する単位電池を複数積層し、前記固体電解質と前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータとの間に形成した反応ガス流路と、前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの各反応ガス流路のうち少なくとも一方の反応ガス流路と反対側に設けた冷却水流路とが、互いに並行で、かつ前記反応ガス流路および冷却水流路にそれぞれ連通して前記積層方向に貫通する複数のマニホールドが互いに近接する燃料電池において、前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータのうち少なくとも一方の、前記単位電池の前記電極を備えた発電部と前記マニホールドの出口側との間に、反応ガスと冷却水との伝熱面積を小さくする流体整流用のガイドを設けたので、発電部と出口側マニホールドとの間の部分の熱交換性能が低下して出口ガス温度の低下を抑えることができ、凝縮水の発生を抑えることができる。

本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の単位電池を構成する各種部材の平面図である。カソード側セパレータのＭＥＡに対向する面の平面図である。この発明の第２の実施形態に係わる、カソード側セパレータのＭＥＡに対向する面を示す要部の平面図である。

符号の説明

１ＭＥＡ（膜電極接合体）
３アノード側セパレータ
５カソード側セパレータ
９カソード入口マニホールド
１１冷却水入口マニホールド
１３アノード出口マニホールド
１５アノード入口マニホールド
１７冷却水出口マニホールド
１９カソード出口マニホールド
２３アノードガス流路（反応ガス流路）
３１冷却水流路
４１カソードガス流路（反応ガス流路）
４８ａ反応ガスと冷却水との伝熱面積を小さくする流体整流用のガイド
４９熱伝導率の低い部位

Claims

固体電解質およびその両側に一対の電極を備えた膜電極接合体と、膜電極接合体の両側にそれぞれ配置するアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとを、それぞれ有する単位電池を複数積層し、前記固体電解質と前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータとの間に形成した反応ガス流路と、前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの各反応ガス流路のうち少なくとも一方の反応ガス流路と反対側に設けた冷却水流路とが、互いに並行で、かつ前記反応ガス流路および冷却水流路にそれぞれ連通して前記積層方向に貫通する複数のマニホールドが互いに近接する燃料電池において、前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータのうち少なくとも一方の、前記単位電池の前記電極を備えた発電部と前記マニホールドの出口側との間の部位を、他の部位に比較して熱伝導率の低い材料で構成したことを特徴とする燃料電池。
固体電解質およびその両側に一対の電極を備えた膜電極接合体と、膜電極接合体の両側にそれぞれ配置するアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとを、それぞれ有する単位電池を複数積層し、前記固体電解質と前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータとの間に形成した反応ガス流路と、前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの各反応ガス流路のうち少なくとも一方の反応ガス流路と反対側に設けた冷却水流路とが、互いに並行で、かつ前記反応ガス流路および冷却水流路にそれぞれ連通して前記積層方向に貫通する複数のマニホールドが互いに近接する燃料電池において、前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータのうち少なくとも一方の、前記単位電池の前記電極を備えた発電部と前記マニホールドの出口側との間に、反応ガスと冷却水との伝熱面積を小さくする流体整流用のガイドを設けたことを特徴とする燃料電池。